Знание-сила, 2009 № 11 (989)

Солнце, звезда человеческая

Александр Волков

_{* Здесь и далее курсивом выделены цитаты из рассказа Андрея Платонова «Потомки солнца» (1921).}

В июле произошло одно из важнейших событий этого года, которое может дать новый поворот развитию цивилизации. Принята программа «Desertec. Пустынные районы Северной Африки со временем превратятся в центр мировой энергетики (о планах застроить Сахару солнечными электростанциями наш журнал писал в феврале 2004 года).

…Мы все острее сознаем, что наши естественные ресурсы ограничены. В очередной раз этим летом эксперты Международного энергетического агентства объявили, что после 2010 года мир столкнется с острой нехваткой углеводородов, в связи с чем нефть будет дорожать и дальше — до 150–200 долларов за баррель. Это грозит новыми проблемами для мировой экономики. Страх перед дефицитом нефти, как и перед глобальным потеплением, побуждают нас все чаще отдавать предпочтение альтернативным видам энергии. И чем не помощь нам — солнечный свет? Этот бесплатный, неиссякающий дар светила.

Солнечная энергия становится все дешевле и перспективнее. Со временем она широко войдет в наш повседневный быт: в виде телефонов, работающих на солнечных батареях, и аккумуляторов, обогревающих небоскребы, в образе солнечных панелей на крышах соседних домов и каскадов электростанций в далеких пустынях. Солнце ведь не уголь и нефть. Его на всех хватит.

Еще в середине 1970-х годов, в разгар нефтяного кризиса, в США всерьез взялись за использование альтернативных видов энергии. Началось массовое строительство ветроэнергетических установок. Одно время Калифорния была мировым лидером в этой области. Тогдашний президент страны Джимми Картер поддерживал и развитие солнечной энергетики.

Первые солнечные (солярно-термические) электростанции (СЭС) появились в начале 1980-х годов в калифорнийской пустыне Мохаве. Их общая мощность составила 354 мегаватта (всего здесь было возведено 9 СЭС). Однако времена изменились, цены на нефть упали, и экологическая энергетика погрузилась в стагнацию. Рональд Рейган категорически отверг субсидирование этой отрасли.

Почти два десятилетия (!) длилось затишье. Эти пресловутые 354 мегаватта неизменно составляли «вклад электростанций данного типа в общемировой энергобаланс» — вклад, который становился в процентном отношении все меньше. И это — на фоне непрекращающихся разговоров о пользе солнечной энергетики. Лишь в последние два года в строй вступили новые станции: в Испании и Неваде (США), (подробнее о развитии солнечной энергетики в США читайте «З-С», № 1/09).

Осенью 2008 года в тестовом режиме начала работать солярно-термическая электростанция Андасол-1, сооруженная на юге Испании, в Андалусии. Здесь, на площади 200 гектаров, разместилось около 15 тысяч параболических зеркал. Они фокусируют свет, направляя его на стеклянные трубы, по которым циркулирует термомасло. Под действием солнечных лучей жидкость разогревается до 400 градусов Цельсия. Попадая в теплообменник, масло отдает свою энергию воде, и та превращается в пар. В общем, все то же самое, что на электростанциях, работающих на угле, нефти или природном газе. Пар вращает турбины, вырабатывает ток. За одним исключением: здесь топливом является солнечный свет!

Мощность станции составляет 50 мегаватт; она может обеспечить электроэнергией до 200 тысяч человек (для сравнения: мощность крупнейших аЭс и ТЭЦ исчисляется тысячами мегаватт). По соседству с ней сооружен такой же каскад зеркал — электростанция Андасол-2. Она вступит в строй в 2010 году. Затем появится еще одна станция, опять же на 50 мегаватт. Всего на Пиренейском полуострове планируется построить около 1ОО СЭС общей мощностью свыше 2000 мегаватт. Но насколько они будут рентабельны?

Сейчас стоимость тока, вырабатываемого станцией Андасол-1, составляет около 20 евроцентов за киловатт-час, в то время как электричество, производимое на АЭС или ТЭЦ, стоит почти в пять раз дешевле. Однако, по прогнозу экспертов, такое соотношение цен продержится недолго — полтора-два десятилетия. Ведь те же ТЭЦ давно сооружаются по типовым планам, их штампуют, как на конвейере, в то время, как солнечные электростанции пока приходится строить по индивидуальным проектам, приноравливаясь к окружающим условиям, что удорожает их строительство. Когда же оно будет поставлено на поток, тогда и расходы на выработку тока заметно сократятся. Между тем цены на ископаемое топливо продолжат расти, квоты на выброс углекислого газа в атмосферу — тоже, а потому будет неуклонно повышаться и стоимость тока, произведенного традиционным способом. Так что это лишь вопрос времени, когда «солнечный ток» перестанет быть убыточным, а СЭС превратятся в настоящих конкурентов всем традиционным энергосистемам.

Специалисты убеждены, что решающего прорыва удастся достичь, когда начнется массовое сооружение гибридных станций, когда они станут частью уже существующих ТЭЦ или ГЭС. В большинстве регионов солнечную энергию надо на первых порах использовать параллельно с другими видами энергоносителей, например, нефтью, природным газом или углем. Это позволит совершить плавный и безболезненный переход от ископаемого сырья к солнечному свету.

Участок солярно-термической электростанции в Альмерии, на юге Испании

В ясную погоду такая станция будет работать от солнца, а ночью и пасмурным днем, например, на природном газе. Широкое применение термических накопителей позволит довести долю солнечной энергии в общей выработке тока до 100 процентов. Благодаря ним электростанция круглые сутки станет использовать лишь тепло, приносимое солнцем, надежно, без перебоев, вырабатывая ток. Возможность накопления энергии — вот, к слову, решающее преимущество солнечной электростанции над ветровой.

На недавно построенных станциях уже используются тепловые накопители. Так, на станции Андасол часть тепла отводится к двум громадным бакам с жидкой солью. Поэтому даже в темное время суток здесь еще в течение восьми часов вырабатывается ток.

Подобный тип накопителя — соляной — имеет технологические преимущества, но сложен по своей конструкции и стоит дорого.

Немецкие исследователи предложили альтернативу — специальный сорт бетона. Еще больше надежд возлагается на латентные накопители: материалы, которые, поглощая или отдавая тепло, меняют свое физическое состояние — из твердых становятся жидкими и наоборот. Эти материалы могут почти без потерь аккумулировать большие количества тепла.

Внедрение накопительных систем дает мощный импульс развитию солнечной энергетики. Интерес к ней велик еще и потому, что все больше людей озабоченно проблемой глобального потепления. Если нам не удастся существенно сократить выброс в атмосферу парниковых газов, считают эксперты, то не избежать и постепенного повышения средней температуры на планете.

Обнародованные в этом году результаты исследований Венеры европейским зондом «Венера Экспресс» (см. «З-С», 5/08) навевают неутешительные мысли. «Для Земли не исключена та же модель развития, что превратила Венеру в безжизненный мирок, ведь общее количество парниковых газов, содержащихся на нашей планете в связанном состоянии, примерно такое же, как и в атмосфере Венеры», — отмечает астроном Джоэрн Хелберт из берлинского Института планетных исследований. Если глобальное потепление на Земле будет продолжаться теми же темпами еще несколько столетий, то может начаться необратимый процесс выброса углекислоты и метана в атмосферу, считает, например, российский ученый А.В. Карнаухов (см. «З-С», 3/06).

Использование альтернативных источников энергии позволит этого избежать (подробнее о сценариях «конца света» на Земле читайте «З-С», 5/09), избавит от необходимости сжигать нефть, газ и уголь во все возрастающих объемах. Солярно-термическая электростанция выделяет всего от 10 до 20 граммов углекислого газа на один киловатт-час, тогда как традиционная ТЭЦ, работающая на угле, — около 1000 граммов, а на природном газе, — 400 граммов.

Начавшееся глобальное потепление заставило политиков и бизнесменов по-иному взглянуть на развитие альтернативной энергетики. В ряде штатов США (в Калифорнии, Неваде, Аризоне и Нью-Мексико) были приняты законы, которые обязывают энергетические компании вырабатывать часть поставляемого ими тока за счет использования возобновляемых ресурсов — солнца, ветра и биомассы. Так, в Калифорнии в 2010 году эта квота составит внушительные 20 процентов. В Неваде задались достичь той же цели к 2015 году.

Власти Калифорнии намерены вновь вывести свой штат в мировые лидеры этого направления энергетики. Здесь будет построена крупнейшая в мире солнечная электростанция мощностью 500, а, может быть, даже 850 мегаватт. Ее технология должна существенно отличаться от традиционной. Из множества отдельных зеркал сооружаются огромные вогнутые зеркала, которые фокусируют солнечные лучи на двигателе Стирлинга (двигателе внешнего сгорания, преобразующего тепловую энергию в полезную механическую работу. — А.В.). Когда одна сторона такого двигателя разогревается, содержащийся там газ расширяется и приводит в движение поршень. В то же время газ перетекает на другую сторону двигателя, где охлаждается.

Американцы делают ставку на использование стандартных блоков в 25 киловатт каждый. В принципе, электростанция мощностью 500 мегаватт будет состоять из 20 тысяч подобных блоков, расположенных на территории площадью 150 гектаров. В ближайшие два года в США вступят в строй сразу две электростанции этого типа.

В настоящее время суммарная мощность всех солнечных электростанций, сооруженных в мире, равняется почти 500 мегаватт. Согласно оценке американского института Emerging Energy Research, к 2020 году эта цифра возрастет в 30 раз и составит около 15 гигаватт. Еще больший оптимизм внушает прогноз одного из лидеров европейской солярно-термической индустрии — компании Estela. К 2020 году общая мощность солнечных электростанций в Европе должна составить 30 гигаватт, а к 2030 году этот показатель удвоится.

В Европе наиболее рентабельно производить «солнечный ток» в Испании, Греции, Южной Италии, а также на юге Франции. Например, в Андалусии бывает около 3000 солнечных часов в году, в то время как в центральных районах Европы — не более 1700 часов.

Однако не на Европе «сошелся клином белый свет». Для сооружения СЭС наиболее перспективны пустынные области Африки, Австралии, юго-запада США и некоторые районы Южной Америки. Там ясная, солнечная погода держится большую часть года.

Так, над Сахарой до 4300 часов в году светит солнце. Подсчитано, что СЭС, построенная здесь, будет производить почти в три раза больше энергии, чем точно такая же станция, сооруженная под Парижем или Берлином. С экономической точки зрения ток, выработанный в Сахаре, можно без особых проблем транспортировать в центральные районы Европы — даже несмотря на стоимость доставки и потери на линиях электропередачи.

«Бахр-бела-ма», «Море без воды» — так называют арабы величайшую пустыню планеты. Девять миллионов квадратных километров — такую огромную территорию она занимает. Камень, песок, скалы. Сахара — бросовая земля человечества. Лишь ветер веет над ее просторами, перегоняя песчаные дюны, — эта пустыня продолжает расти, расширяясь с каждым днем. По геологическим меркам, Сахара очень молода, ей всего-навсего около 40 тысяч лет. Она потому и пустынна, что у животных и растений было мало времени, чтобы в процессе эволюции приспособиться к суровым климатическим условиям, царящим здесь. Пока это удалось лишь отдельным видам флоры и фауны.

На окраине Сахары, например в Сахеле, да и вообще повсюду, где найдется хоть немного воды, люди сумели создать оазисы — островки в море песка и камня, отличающиеся своеобразной, самобытной культурой. Все остальное — поистине пустыня, пустошь, пустота, залитая солнцем. Его лучи разогревают воздух летом до 50–60 градусов Цельсия, делая жизнь здесь невыносимой. До сих пор их энергия растрачивалась впустую. «Днем было только солнечное пламя, ветер и тоскливая пыль на дороге».

Правда, еще в 1980-х годах в Европе заговорили о проекте, казавшемся тогда фантастическим. Много говорили. Строили планы, вели расчеты, сочиняли статьи, устраивали дискуссии. Размышляли об этой проблеме. Мечтали. Лишь в последние годы к этой идее снова вернулись.

На первый взгляд она подкупающе проста. Количество солнечной энергии, получаемой Северной Африкой, в 100 с лишним раз превышает уровень потребления энергии всем населением нашей планеты. Каждая сотня гектаров Сахары может вырабатывать в год до 250 гигаватт-часов энергии. Всего 0,3 процента ее территории полностью обеспечили бы электрическим током и страны Северной Африки, и всю Европу. Один процент территории решил бы энергетические проблемы человечества. «Могущественнее, напряженнее света нет в мире энергии».

В начале нового века, в 2003 году, Римский клуб основал международную организацию под названием TransMediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC). Ученые и политики, входящие в ее состав, разработали глобальную концепцию энергоснабжения Европы, Северной Африки и Ближнего Востока. Благодаря ей все страны-участницы останутся при своих интересах: Европа получит электрический ток, не загрязняя атмосферу новыми выбросами парниковых газов, Северная Африка — энергию, необходимую для опреснения морской воды, а страны Ближнего Востока — альтернативный источник энергии, помимо традиционной нефтедобычи.

Эта программа — она получила название Desertec (от английских слов, обозначающих пустыню и технику) — предусматривает строительство не одной громадной электростанции, а обширной сети небольших станций мощностью от 50 до 200 мегаватт, размещенных на всей территории — от Марокко до Саудовской Аравии. Речь идет о крупнейшем проекте за всю историю солнечной энергетики, о проекте, который по своему размаху и значимости может сравниться с программой покорения Луны.

В середине июля этого года двенадцать крупных концернов (в основном немецких) объявили о создании консорциума, призванного воплотить давнюю мечту в жизнь. В ближайшие годы к выполнению проекта подключатся и другие партнеры, прежде всего, из Испании, Италии и стран Северной Африки. В Египте, Алжире и Марокко уже ведется строительство собственных СЭС мощностью от 15 до 30 мегаватт. «Землю нужно переделать руками человека, как нужно человеку».

Выиграть от этого проекта могла бы и Россия, присоединившись к нему, полагает обозреватель немецкого журнала Spiegel. Это позволило бы нашей стране сохранить для потомков значительную часть своих газовых и нефтяных месторождений и вложить средства в развитие альтернативной энергетики — «скатерти-самобранки» завтрашнего дня.

Внизу: идет монтаж параболических зеркал соляно-термической электростанции. Вверху: проверка жаростойкости материалов в солярной печи

«Инициатива немецких политиков и бизнесменов, — считают представители «Гринпис», — это один из самых разумных ответов на вызовы, которые ставит перед нами глобальный экологический и экономический кризис». Согласно их расчетам, это позволит избежать к 2050 году выброса в атмосферу 4,7 миллиарда тонн углекислого газа (примерно такое количество СО₂ все предприятия той же Германии выбросят в атмосферу за шесть лет). По оценке Вуппертальского института климата, энергии и окружающей среды, общий оборот компаний, участвующих в программе Desertec, к 2050 году достигнет двух триллионов евро. Работы по этой программе позволят создать около четверти миллиона новых рабочих мест.

Особенно выгоден этот проект странам Северной Африки и Ближнего Востока, где потребность в энергии к 2050 году возрастет примерно в три раза. Пока планируется следующий баланс распределения электроэнергии: около 80 процентов всего произведенного количества будет использоваться на нужды «стран-хозяев», стремительное развитие которых прогнозируется экспертами. Европе же, затеявшей этот «проект века», на первых порах будет доставаться лишь пятая часть всей производимой энергии.

Руководители TREC уверены, что развитие солнечной энергетики должно сблизить арабский мир и Европу, укрепить отношения между ними. «Энергия — неотъемлемый фундамент социально-экономического развития и в то же время существенный вклад в мир между народами», — говорит президент Римского клуба, иорданский принц Хасан ибн Талал.

Схожие заявления делают и главы правительств 44 стран — участниц Средиземноморского союза, созданного летом 2008 года. В сферу их общих интересов входит и совместное развитие солнечной энергетики. «Наша цель — улучшить взаимопонимание между народами средиземноморского региона, — подчеркивает Рольф Линкор, руководитель Центра европейской энергетической стратегии. — В конце концов, Римская империя продержалась так долго еще и благодаря своей отличной инфраструктуре». На территории Pax Romana, бывшего Римского мира, общая инфраструктура создается заново. Мир, стертый с политической карты полторы тысячи лет назад, вновь обретает зримые черты. В его воскрешении будет заслуга и энтузиастов, взявшихся за выполнение программы Desertec.

Но понимают ли потенциальные инвесторы, какие трудности могут их ожидать? Дорого ли обойдется это развитие? Что побудит вкладывать огромные средства в строительство электростанций в небогатых африканских странах? Кто будет сооружать линии электропередачи протяженностью в несколько тысяч километров? Как защитить строящиеся объекты от террористов? И не окажется ли Европа в конце концов в определенной зависимости от стран Азии и Африки, где десятилетиями сохраняется нестабильное положение?

Не случайно скептики говорят, что «это проект не завтрашнего, а после-послезавтрашнего дня». Для его реализации к 2050 году предстоит вложить около 400 миллиардов евро, чтобы создать всю необходимую инфраструктуру, которая позволила бы экспортировать в Европу 100 гигаватт — суммарную мощность 100 крупных электростанций. Баланс таков: 350 миллиардов потребует сооружение электростанций, еще 50 миллиардов — линий электропередачи (нужно построить десятки ЛЭП, чтобы «навести мосты» из Азии и Африки в Европу — через Гибралтар, Сицилию, Сардинию, Стамбул). Впрочем, инвестиции лишь на первый взгляд выглядят очень внушительными: ведь их придется вкладывать в проект на протяжении сорока лет, — условно говоря, по десять миллиардов в год.

Стоимость участков земли в пустыне Сахара, выкупаемых под программу Desertec, значительно ниже, чем в той же Испании. Однако здесь отсутствует вся необходимая инфраструктура. Ведь, помимо ровной территории, застроенной рядами параболических зеркал, и сети автомобильных дорог, потребуется еще и, например, огромное количество охладителя, холодной воды, — примерно столько же, как и для полива пшеничного поля, выращенного на территории, занимаемой электростанцией. С технической точки зрения, можно использовать в качестве охладителя и атмосферный воздух, но это существенно снижает КПД установки.

Зато страх перед террористами в данном случае не обоснован. Конечно, они могут взорвать какую-то ЛЭП, но вывести из строя всю систему энергоснабжения Европы, которая протянется от Марокко до Сирии, им будет едва ли не так же трудно, как завоевать одну из европейских стран. Гораздо опаснее было бы отказаться от этого проекта, ведь тогда арабским странам волей-неволей пришлось бы развивать атомную энергетику, что с учетом террористической угрозы имело бы куда более страшные последствия, нежели опора электросети, взорванная где-нибудь под Бурдалахом «Мучениками Джихада» (только в Египте планировалось возвести 5 АЭС).

При надлежащей поддержке политиков программу Desertec удастся выполнить. Ток потечет с юга на север, выравнивая уровень жизни в странах Северной Африки и Европы, снижая угрозу терроризма. К 2020 году планируется ввести в строй две крупные солярно-термические электростанции, к 2030 году — восемь станций, к 2040 году — 14, а к 2050 году — 20 станций, которые будут вырабатывать до 700 тераватт-часов энергии в год. Как ожидается, к 2050 году около 15 процентов всей потребности Европы в электроэнергии можно покрыть за счет транспортировки тока из Африки и Азии, причем стоить он будет не дороже традиционно вырабатываемого на ГЭС или ТЭЦ.

При этом прогнозируется широкое использование возобновляемых энергоресурсов в самой Европе — строительство ветровых, солнечных и геотермальных электростанций, гидроэлектростанций и станций, работающих на биомассе. К примеру, Норвегия с ее протяженной, изрезанной фьордами береговой линией должна делать ставку на использование энергии ветра и воды, Испания — на энергию солнечного света. В планах TREC — сооружение ветроэнергетических офшорных комплексов у побережья Атлантического океана, а также Северного и Балтийского морей.

Со временем, считают создатели этой организации, возникнет громадная энергосеть, объединяющая страны Европы, Северной Африки и Ближнего Востока — от Исландии до Йемена и Омана, от Литвы до Туниса и Мавритании. На всей этой территории будет активно развиваться производство электроэнергии из возобновляемых ресурсов, что сделает эти страны независимыми от цен на ископаемые энергоносители — уголь, нефть, природный газ и уран.

«Для человечества наступил действительно золотой век — вселенная работала на человека, питала и радовала его».

… Пока все это сказано не про нас. На наш век нефти и газа «как бы» хватит. Наши города все так же беспечно зажигают огни. Едва ли не единственный пример строительства солнечной электростанции на территории СССР окончился, сообщает «Википедия», конфузом. Щелкинская станция в Крыму мощностью 5 мегаватт была заброшена, а затем разворована. Конечно, под нашими северными небесами грех не жаловаться на пасмурные дни, на неласковое солнце, но, ослепленные легким богатством — нефтью и газом, которые мы беспечно транжирим, — мы можем и «заплутать в потемках», не найти дорогу в светлое будущее — туда, где самое широкое применение получат возобновляемые источники энергии.